无线通信和网络 第2章

1、第二讲无线信号传输概述1电磁信号n是时间的函数，也可以描述为频率的函数n模拟信号和数字信号n模拟信号（模拟信号（analog signal）：信号强度随时间连续变化n数字信号（数字信号（digital signal）：信号强度在一定时间段内保持在一个稳定的水平。2模拟信号数字信号n周期信号（周期信号（periodic signal）：周期性地重复的信号3()( ) s tTs tt n一个典型的正弦波信号包含三个参数：振幅（A），频率（f）和相移（）。n频率频率 f：单位时间内信号重复自己的次数，单位是赫兹（Hz）。n周期周期 T：T=1/fn波长波长 ：信号在一个周期内向前传播的距离，=vT

2、，其中v是信号在介质中传播的速率。n电磁波在真空中的速率 c = 3108米/秒n电信号在线缆众传输的速度是2/9 1/3光速n相移相移：信号在时间上的偏移量n一个典型的正弦信号4( )sin(2)s tAft5A=1, f=1, =0A=0.5, f=1, =0A=1, f=2, =0A=1, f=1, =/4信号的频域分解n任意一个电磁信号可以视为由多个频率的周期信号组成（由傅立叶变换保证）n例如：n当构成信号的所有频率都是某个频率的整数倍时，这个频率被称为该信号的基本频率基本频率。如上例中f。信号的周期=信号中基本频率对应的周期。n信号所有频率的范围被称为信号的频谱频谱(Spectrum

3、)，例如上例中信号的频谱为f, 3f。n信号频谱的宽度被称为信号的带宽带宽（bandwidth），例如上例中信号的带宽为3f-f=2f6( )(4 /)(sin(2)(1/ 3)sin(2 (3 ) )s tftf t7sin(2)ft(1/ 3)sin(2 (3 ) )f t(4 /) sin(2)(1/ 3)sin(2 (3 ) )ftf t信号数据传输速率和带宽的关系n通常来说，信号的带宽越大，其传输数据的能力就越强n例如：令方波的正电平为1，负电平为0，则信号在1/f 时间内可以传送两个bit的数据，数据传输速率为2f bit/秒（bps）。8n方波由哪些频率构成？n频率f、3f、5f

4、的正弦信号相加n频率f、3f 、5f 、7f的正弦信号相加9(4 /)sin(2)(1/ 3)sin(2 (3 ) )(1/ 5)sin(2 (5 ) )ftf tf t(4 /)sin(2)(1/ 3)sin(2 (3 ) )(1/ 5)sin(2 (5 ) )(1/ 7)sin(2 (7 ) )ftf tf tf tn将所有f 的奇数倍正弦信号叠加，可得到方波信号n例1，考虑频率f、3f、5f的正弦信号叠加所得信号，如果f=1MHz，带宽为4MHz。如果用此信号近似为方波，则一个bit占用时间1/2f，传输速率为2f=2Mbps。n例2，考虑同样的信号，但是f=2MHz，则带宽为8MHz。

5、此时一个bit占用时间1/2f，传输速率为4Mbps。n例3，考虑频率f、3f的正弦信号叠加所得信号， f=2MHz，带宽为4MHz。此时码速率为4Mbps。但是较之例1，信号更加失真，接收端识别信号的难度变大。10,14sin(2)( )k kkfts tAk奇数n结论：n数字信号方波包含无穷带宽n信号传输系统通常仅具有有限的带宽n对任意传输介质，占用的带宽越大，成本越高n在有限的带宽内传输信号，会造成信号一定程度的失真（distortion）11模拟和数字数据传输n数据：信息的载体n信号：数据的电磁表示n传输：通过传送信号进行数据通信的行为12模拟和数字数据传输n典型的模拟数据：语音、图像

6、n典型的数字数据：文本13语音：100Hz7KHz25dB：最大的声音是最小声音能量的300倍（25dB）1010log 30025模拟和数字数据信号n模拟信号：连续变化的电磁波；可在一系列介质中传输，但是不同频率的信号传输特性不同。n典型介质n双绞线、同轴电缆n光纤n大气层、太空14n数字信号：由一系列高低电平组成，可以在铜质线缆中传输n数字信号较之模拟信号的优势在于更便宜，并且不容易受到噪声的干扰。劣势在于数字信号更容易衰衰减减。n信号的高频部分比低频部分衰减更大，整个信号失真n模拟和数字信号可以用于传输模拟和数字内容15衰减造成数字信号失真n模拟数据/信号和数字数据/信号之间的转换n模拟

7、数据模拟信号：声波（语音，300-3400Hz）转换为电磁波n数字数据模拟信号：调制解调器（Modem）n将数字内容调制为模拟载波信号16n模拟数据数字信号：语音转换为数字信号，编解码器（codec，coder-decoder）n数字数据数字信号：数字收发器（transceiver）17选取不同的信号传输类型n数字内容，数字信号传输n数字信号直接用数字化方式传输比调制为模拟信号更方便便宜n模拟内容，数字信号传输n便于使用现代化的数字技术和数字网络（例如Internet）n数字内容，模拟信号传输n一些传输介质只能够传输模拟信号，光纤、卫星n模拟内容，模拟信号传输n例如，语音电磁波18模拟和数字信

8、号传输n模拟信号传输n以模拟信号的方式传输模拟或者数字内容n模拟信号易衰减，每传输一定距离，使用放大器放大信号能量n不幸的是，同时放大了噪声n数字信号传输n更容易衰减n中继器：接收数字信号，还原成0和1，再编码传输。19信道容量n噪声（噪声（noise）是造成信号失真的主要原因。n对任意信道，在给定条件下数据传输的最大速率（单位为bps）被称为信道容量（信道容量（channel capacity）n几个概念n传输速率：数据在信道中传输的速度（bps）n信号速率：单位时间传输信号的个数（波特）n带宽：由传输者和传输介质确定的信号带宽（Hz）n噪声：信道的平均噪声强度n错误率：错误发生的速率（错误

9、个数/秒）n错误：发送1接收0，发送0接收1n为什么要关注信道容量？带宽资源非常昂贵。n尽可能有效地提高带宽利用效率20奈奎斯特带宽n1. 频率不超过B的信号足以实现2B的信号传输速率n2. 对带宽为B的信道，最高可实现的信号速率是2B。n例，两电平信号。如果信号的传输速率是2B bps，则一个频率不大于B的信号足够实现上述速率。反之，对带宽B的信道，其能够传输的最大信号速率是2B。n带宽B=3100Hz，2B=6200bpsn如果信号包含多个（M 个）电平，信道容量为C=2Blog2M bps。n增加电平数可以提高传输速率。但是识别多个电平给接收设备带来更大负担，且信号更容易受到噪声的影响。

10、21信号噪声比n奈奎斯特公式揭示，带宽翻倍则传输速率翻倍。n噪声条件下，将产生错误，传输速率并不仅仅取决于带宽n关键在于信号和噪声的能量对比。信噪比（SNR或者S/N）是信号功率和信号传输时噪声能量水平的比值，常以分贝（dB）为单位n信噪比越高，信号质量越好2210signal power10lognoise powerdBSNR23香农公式n信道的最大容量（单位为bps）计算如下：nB：信道带宽（Hz）n这只是理论上信道可以达到的最大传输速率，在实际中，这样的传输速率往往难以达到。n香农在推导中，仅假设白噪声，没有考虑突发性的噪声n没有考虑信号的衰减nSNR和带宽也使相关的，带宽越大，噪声越

11、高242log (1)CBSNRn例：考虑一个信道的频段从3MHz到4MHz，SNRdB=24dB。n信道容量SNRdB=24dB=10log10(SNR)，SNR=251，C=106log2(1+251)8Mbpsn如果这个传输速率可以实现，信号应该具有多少个电平？2516log4log102108log222662MMMMBC传输介质n传输介质传输介质是指信号发送者和接收者之间的物理通路n有导向的介质：信号沿固体介质传输n铜质双绞线、同轴电缆、光纤、激光n无导向的介质：不规定传输的方向n无线信号的传输方式n大气层、太空n通过天线发送和接收信号n天线可以是全向的，或者是有方向的n对于有导向的

12、介质，介质本身更重要；对于无导向的介质，信号占据的带宽更重要26频段划分n微波频段n1GHz到100GHzn有向无线射束（beam）n适合点对点传输n用于卫星通信n无线电频段n30MHz到1GHzn适合信号全向传输的各种应用n红外频段n31011 到21014 Hzn在室内点对点传输2728地面微波(Terrestrial Microwave )n地面微波天线n抛物面“锅”，直径3米n固定对准特定角度，发射接收特定方向的射束n实现信号的视距视距（line of sight）传输n通常置于高处n应用n远距离电信服务，替代同轴电缆或光纤（农村、海岛）n楼宇之间点对点通信（绕过电信运营商）29n传输

13、特性n微波随传输距离的衰减n衰减和距离的平方成正比，因此信号放大器每间隔10至100公里放置一个n对比在双绞线和同轴电缆中，信号的衰减与距离的指数成正比，微波的衰减很小。302410logdBdL2、6GHz频段使用最多，11GHz频段开始被使用卫星微波n描述n两个地面基站通过卫星通信n卫星就是一个微波信号中转站：通过一个频率接收信号（上行链路uplink，地面站到卫星），重复或增大信号强度，再通过另一个频率传输（下行链路downlink，卫星到地面站）n应用n电视信号n远距离电话通信主干线路，卫星电话n私有商业网络n通常是租用卫星频道31n传输特性n最优频段1-10GHzn1GHz以下会有大

14、量噪声n大部分卫星使用5.925-6.425GHz频段作为上行链路，3.7-4.2GHz频段作为下行链路。n高频衰减得较厉害n卫星必须将接收的信号转换频率，才能发射，以避免干扰。n传输延迟明显，“检错+重传”的方法不再适用n本质上是广播，所有地面站都可以收到信号（需合理复用）。32广播无线电n广播无线电的天线n信号全向传输n天线不需要对准特定的角度n应用n包含FM广播信号频段和VHF和UHF电视信号频段，30MHz至1GHzn传输特性n随传输距离的衰减n多路干扰失真较明显332410logdBdL红外n类似于微波，视距传输n不同于微波，不能穿透障碍物（例如墙壁）n适用于室内环境n红外收发器放置

15、于天花板34复用n传输介质的信道容量通常足够传输一路信号n复用：通过单一介质同时传输多路信号n更好地利用传输介质nn路信号输入到多路复接器，多路复接器多路复接器和多路分解多路分解器器之间通过一个数据链路连接，多路分解器再将同时传输的n路信号分离。35n为什么要复用n当传输速率提高，每单位kbps的成本降低，传输速率越高越划算n大部分通信设施可以支持较高的通信速率，而大多数通信应用并不需要很高的速率36n基本的复用技术n频分复用（频分复用（FDM）：每一路信号独立使用一段频段，该频段以信号的载波频率（carrier frequency）为中心，多路信号之间的频段之间有足够的间隔（guard band）n语音信号300-3400Hz，4kHz带宽足够一路语音通信。早期的AT&T和ITU标准使用60至108kHz的频段复用传输12路语音信号。n时分复用（时分复用（TDM）：将时间分片，每个时间片对应一路信号（通常是数字信号）n同步时分复用，时间分片是预先设定的n异步时分复用，动态地调整时间分片3738一个典型的同步时分复用系统39信号发送信号接收n顺序扫描buffern